Approche concrète des télécommunications
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www.lyc-fourcade.ac-aix-marseille.fr Electronique
Electronique
APPROCHE CONCRETE
des
TELECOMMUNICATIONS
Objectifs : Définir les principes utilisés dans les communications HF.
Montrer qu’il faut raisonner dans le domaine fréquentiel.
Décrire les enjeux liés aux télécommunications.
Ressources : P.G. FONTOLLIET Systèmes de communications CNET- DUNOD.
R. TOQUEBEUF lycée A. de Craponne SALON.
J.-Ph. MULLER TA-Formation
D. RABASTE IUFM Aix-Marseille.
M. RACACHER Mémoire professionnel, STI, LILLE.
S. GREGOIRE Institut de recherche LAVOISIER.
Fiches techniques Télé-Diffusion de France.
Fiches techniques France Telecom R&D.
POUR LA SCIENCE édition française n°248.
Encyclopédies ENCARTA (Microsoft) et WIKIPEDIA.
lewebelectronique.free.fr
www.sante.gouv.fr/htm/dossiers/telephon_mobil/resum_fr.htm
ANFR Agence Nationale des Fréquences
et à tous ceux que j’oublie, mille excuses.
Tous nos remerciements à ceux qui ont contribué à la réalisation de ce document.
Encarta
Avertissement
Ce document mis à jour est téléchargeable sur le site : www.stielec.ac-aix-marseille.fr (cours électronique). Il constitue la première
partie d’une suite de cours, TD et TP qui servent d’appuis lors de l’étude de systèmes électroniques faisant appel notamment aux
domaines des télécommunications. Cette partie se veut volontairement ...
Voir
Electronique
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TELECOMMUNICATIONS
Objectifs : Définir les principes utilisés dans les communications HF.
Montrer qu’il faut raisonner dans le domaine fréquentiel.
Décrire les enjeux liés aux télécommunications.
Ressources : P.G. FONTOLLIET Systèmes de communications CNET- DUNOD.
R. TOQUEBEUF lycée A. de Craponne SALON.
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domaines des télécommunications. Cette partie se veut volontairement ...
! Objectifs : Définir les principes utilisés dans les communications HF. Montrer qu’il faut raisonner dans le domaine fréquentiel. Décrire les enjeux liés aux télécommunications. Ressources : P.G. FONTOLLIETSystèmes de communications CNET- DUNOD. R. TOQUEBEUF lycée A. de Craponne SALON. J.-Ph. MULLER TA-Formation D. RABASTE IUFM Aix-Marseille. M. RACACHER Mémoire professionnel, STI, LILLE. S. GREGOIRE Institut de recherche LAVOISIER. Fiches techniques Télé-Diffusion de France. Fiches techniques France Telecom R&D. POUR LA SCIENCE édition française n°248. Encyclopédies ENCARTA (Microsoft) et WIKIPEDIA. lewebelectronique.free.fr www.sante.gouv.fr/ht el p _ _ m/dossiers/t e hon mobil/resum fr.htm ANFR Agence Nationale des Fréquences et à tous ceux que j’oublie, mille excuses. . # ! '% # % " # $ %%&' ( %!) * + , - ./ .0 ! 1 , ,% + %! %% " 1 1 ,+- &%! " %% %% , 2 # %! 3 4 %% % & - # % # % 5 %% - % + 6&- &%- ! 7 - % ' 1% 1 ! "# $% & 1- 1 - ! 1
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! ( $%$# # %)1 Le terme « télécommunications » fut inventé en 1904 par E. Estaunié et signifie²communiquer à distance². Le but des unetélécommunications est donc de transmettre un signal, porteur d ’ information (voie, musique, images, données
), d’un lieu à un autre lieu situé à distance. (. # %% On a vu naître divers dispositifs de communication depuis des temps très anciens. Les Romains avaient un système de signaux militaires qui permettait de faire circuler assez vite, de poste en poste, les ordres et les nouvelles d’importance. Cependant, ce n’était que l’échange de quelques signes conventionnels qui codaient une signification globale du message (victoire, défaite, attaquer à l’ouest, etc¼). (/ $%$2#1 % 3 $#4 Il fallut attendre la fin du XVIIIesiècle pour voir apparaître le premier système permettant de communiquer à distance des messages complets construits avec des phrases. Cette réalisation des frères Chappe, en 1794, était basée surun dispositif mécanique: trois règles mobiles au haut d’un mât codaient, par leur position, des mots d’un lexique. Grâce à l’utilisation d'une "chaîne" d'observateurs relayant la transmission, des messages pouvaient être communiqués en quelques minutes sur des distances importantes. L’ancêtre du télégraphe était né ! ... Le télégraphe de Chappe fut en usage en Algérie jusqu'en 1859. (' $%$2#1 $%4 La révolution suivante fut celle du télégraphe électrique inventé par Samuel MORSE en 1832. Cette fois, un véritable alphabet était utilisé, le fameux code morse (exemple :S O S - - - ). Cette invention était rendue possible par les avancées révolutionnaires successives de la physique en électricité (courant électrique, pile de Volta, électro-aimant...). C’est ce principe qui servira plus tard pour réaliser les premières liaisons radio. (5 $%$1
En 1876, l'Américain Graham Bell inventa le téléphone : enfin, la voix humaine pouvait être transportée au-delà de l'horizon sonore. De nombreuses améliorations du téléphone de Bell (comme l'invention du microphone à charbon par Hughes en 1878 et l'introduction dans le circuit de piles et transformateurs) conduisirent au développement que l'on connaît. Paris fut la première ville à posséder un réseau de "téléphonie urbaine".
! ( * # # Mais le fil de cuivre qui était à la base même de ces dispositifs de communication était très pénalisant : coûts de construction et de maintenance très importants, impossibilité de communiquer avec un bateau en mer
La découverte des ondes hertziennes allait ouvrir l'ère du "sans fil" et métamorphoser les lourds, fragiles et coûteux câbles de cuivre en liaisons invisibles que constituent les ondes électromagnétiques. MARCONI Guglielmo (Italo-Irlandais) est reconnu comme l’inventeur de la radio sans fil. Il permit à plusieurs stations d’émettre simultanément, et sans interférence, sur des longueurs d’ondes différentes. En 1921 des émissions expérimentales sont diffusées depuis la Tour Eiffel d’où sont transmis les premiers journaux parlés et émissions musicales en direct. (6 # $%$ C'est dans les années 1920 que les premiers prototypes de télévision apparaissent. En 1929, la BBC émet des émissions expérimentales malgré des images de mauvaise qualité. En France, les émissions de télévision sont quotidiennes à partir de 1938, mais en cette période de pré-guerre le public n'est pas au rendez-vous 200 récepteurs commercialisés contre 20 000 en Angleterre). En 1947, 3 Américains inventent le transistor, qui peu à peu va détrôner les lampes, et faire accélérer les évolutions techniques. Dans l'histoire de la télévision, un des grands moments restera l'alunissage en direct de la capsule spatiale Apollo, le 20 juillet 1969, devant des millions de téléspectateurs. (7 #%% Au début des années 1960, les communications téléphoniques internationales restent très difficiles car les câbles sous-marins ont une capacité réduite. De même la télévision ne permet pas encore de réaliser des "directs" sur de très longues distances. Un projet est alors avancé : construire un satellite de télécommunications. En 1961, un accord est signé entre la Grande Bretagne, la France et les Etats-Unis pour sa réalisation. Ce satellite (Telstar) est construit par "Bell Telephone Laboratories" et sera lancé de Cap Canaveral le 10 juillet 1962. Pour l’occasion la France construit en Bretagne (Pleumeur-Bodou) une antenne réceptrice composée entre autres, d'une portion de sphère de 64 mètres de diamètre. Le 11 juillet 1962, l'antenne capte dans d'excel-lentes conditions des images émises des Etats-Unis. (8 En 1974, les laboratoires Bell mettent au point un programme, qui permet d'échanger des données par modem via le réseau téléphonique. Grâce à cette innovation, débute le premier véritable réseau planétaire, UUNET. En 1981, les Français découvrent l'univers de la télématique avec le Minitel. En 1994, avec l'introduction de Netscape, doté d'une interface graphique spectaculaire, qui intègre les ressources multimédias, l’Internet connaît une explosion phénoménale. L'expression "Internet" sert à désigner un ensemble de réseaux connectés entre eux. La collectivité y a maintenant9 accès, par l’intermédiaire des fournisseurs de services (Wanadoo, free
). Aujourd’hui, l’ADSL2+ est planifiée, c’est une technologie qui permet d’atteindre un débit de 20mégabits/s sur des liaisons de moins de 2km entre le répartiteur et l’abonné.
! +( , - +(. ) # L’information issue d’une source est transmise via un EMETTEUR dans un CANAL de transmission (atmosphère, ligne électrique, fibre optique
). Un autre utilisateur va récupérer sur le CANAL, grâce à un RECEPTEUR, le signal transmis auquel se seront superposés des parasites : BRUIT ou perturbations. Source de bruit Parasites PROPAGATION EMISSION(canal deRECEPTION Signaltransmission Signal uémis re message message urtesaitilUitfnro l’ie deourcS ma on Dans cet exemple de radiofréquences, on a une de transmission unidirectionnelle (simplex) comme pour la radio, à distinguer d’une transmission bi-directionnelle alternée (half-duplex) dans le cas du talkie-walkie ou d’une transmission bi-directionnelle (full duplex) dans le cas du téléphone analogique. 9
! +(/ ##% # C’est la propriété du champ électromagnétique de se propager sous forme d’ondes qui est utilisée pour réaliser des transmissions entre émetteurs et récepteurs. +(/(. ##$4 %: Contrairement au vide dans lequel aucune puissance n’est dépensée et qui présentent les mêmes caractéristiques quelle que soit la fréquence du signal, tous les autres milieux (l’eau, l’air, l’atmosphère
), dans une plus ou moins grand e mesure sontabsorbantsetdispersifs. · Absorption : ondes se propageant dans un Les milieu matériel s’atténuent en raison d’une dissipation de puissance, on dit que l’onde est absorbéepar le milieu. Dans le cas d’une onde plane, l’atténuation se traduit par une amplitude décroissant1 . 0V ex onentiellement avec la distance : 0 . 5V Sm = So * e-αd . La constante d’atténuationαest souvent fonction0V de la fréquence, si bien que les différentes composantes spectrales d’un même signal ne- 0 . 5V subissent pas le même affaiblissement d’où- 1 . 0V distorsion d’am litude. TV( V 2 : + ) i me · Dispersion : Demême façon la célérité des ondes dans un milieu dépend de la la fréquence, cet effet appelédispersion, introduit de ce fait unedistorsion de phase dans le signal transmis, dans la mesure où toutes les fréquences du spectre transmis n’ont pas le même retard. +(/(/ # # % La transmission par ondes libres utilise la propagation d’une onde électromagnétique dans l’atmosphère. La sortie de l’émetteur et l’entrée du récepteur sont constituées par des antennes : · L’antenne émettrice rayonne une puissance électromagnétique relativement importante dans l’espace qui l’entoure. · L’antenne réceptrice capte une faible partie de cette puissance. Pour des liaisons avec des antennes en visibilité directe, lorsque les 2 points à relier sont proches (courbure de la terre négligeable) et en espace dégagé, la liaison peut être établie directement. Si la distance est importante des relais sont nécessaires.
! +(' # 2$$#% +('(. % $%$# La solution simple qui consiste à envoyer le signal informatif sans adaptation (transmission enbande de base) est souvent irréalisable en raison des contraintes liées aux caractéristiques physiques du canal, aux technologies employées et aux fonctionnalités souhaitées. Notamment pour les raisons suivantes : · Bande passante du canal limitée. · du canal, par exemple le canal hertzien ne laisse pas passer les basses Non-linéarité fréquences et présente des atténuations diverses en fonction de la fréquence de travail. · Nécessité de partager un même support de transmission entre plusieurs émetteurs qui ne doivent pas se brouiller mutuellement, les récepteurs concernés devant pouvoir s’accorder sur l’émetteur choisi. · pouvant être important en fonction de la fréquence de travail et gêner le signal Bruit informatif. +('(/ ; < Même si les conditions de sélectivité sont parfaitement respectées (rejet total des stations émettrices non désirées), le récepteur détectera nécessairement des signaux parasites, autres que ceux envoyés par l’émetteur sélectionné. On nomme« bruit »tout phénomène responsable des ces signaux parasites. On eut les classer en 2 caté ories : Les bruits externes Il s’agit de rayonnements parasites captés par l’antenne ou par les circuits eux-mêmes en cas de blindage insuffisant. Les principaux types sont lebruit atmosphérique d’orage prédominant (éclair jusqu’à 15MHz), lebruit galactique et lebruit industriel (moteurs, tubes fluorescents
). Les fluctuations liées à l’origine microscopique des phénomènes électriques Les fluctuations intrinsèques des composants électroniques qui échappent à l’utilisateur engendrent du « bruit ». Il peut être de typebruit thermique (lié à l’agitation thermique),bruit de grenailleetbruit de génération-recombinaison(fluctuations au niveau des porteurs électrons-trous). En définitive, le signal transporté x(t) est la somme du signal utile s(t), et du bruit rapporté n(t) :x(t) = s(t) + n(t). Une notion importante est celle de rapport signal/bruit, obtenu en faisant le rapport des uissances moyennes S et N pour une même impédance de charge :Smoy/Nmoy. ;
! En radio comm unicati on, du côté de l’é metteur la puissance du signal est élevée, donc normalement très supérieure à celle du bruit. Par contre à l’entrée du récepteur, le signal provenant de l’émetteur est très faible, et donc proportionnellement, c’est là que le bruit est le plus gênant. Pour un récepteur radio, le constructeur renseigne sur la qualité de réception de l’appareil avec le paramètreSINAD (SIgnalNoiseAndDistorsion), qui correspond au rapport entre la puissance utile du signal et la puissance due aux bruits internes du récepteur, exprimé en dB. +('(' )"# Un message sonore (voie, musique) est constitué d’une variation de pression de l’air. Avant toute transmission, il faut donc convertir le message en un signal sous forme électrique. Que se soit le message d’origine ou le signal traduit, ils évoluent à l’intérieur d’un intervalle de fréquences[f1,f2], c’est la densité spectrale. S(f) f HP f 0f1fmo f2 Dans le cas de la transmission d’un message sonore en « haute-fidélité », l’intervalle[f1,f2] couvrira la totalité de la bande caractérisant une audition humaine : f1=20Hz et f2=20kHz. Pour des applications où l’on peut se contenter d’une moindre fidélité de reproduction des messages sonores, et pour simplifier la transmission, on limitera la bande passante des signaux. Par exemple : · téléphonie on prend f1= 300Hz et f2=3400Hz ( En ∆ ff=3100Hz ;moy=1850Hz). · transmission d’un signal vidéo nécessite une bande passante beaucoup plus large, La c’est le cas en télévision, où l’on choisit couramment f1=0Hz et f2=5MHz ( ∆f=5MHz ; moyMHz) f =2.5 D’une manière générale labande spectraledu signal est du typelarge: (fmax fmin) > (fmax+ fmin)/2 ∆f > fmoy
! +('(5 % ! #2 Le choix d’une antenne se fait par rapport à la fréquence centrale de travail Fo, il faut donc que les fréquences Fminet Fmaxsoient relativement très proches. De plus pour s’affranchir au mieux des distorsions introduites par le milieu de transmission, la méthode la plus simple consiste à ne transmettre que des signaux àspectre étroit, c’est à dire : (fmax fmin) << (fmax+ fmin)/2 soit : ∆f << fmoy Il faut donc transposer (décaler en fréquence) le signal à transmettre, qui est en spectre large, pour obtenir un spectre de type étroit. S(f)f f fminfmoy fmax Par exemple : · on prend le cas précédent, d’un signal sonore Siavec à l’origine f=[20 Hz ;20 kHz], on a ∆f = 19,98 KHz≈ 20 et kHz fmoy≈(spectre large), et le rapport f kHz 10max/ fmin=1000 , soit une grande différence relative entre les fréquences extrêmes. ce si 06 ;+20 Hz · 0Si 16+2]lezsc ad 0énH koio t∆gf ≈nal de 1 HM,zi lz kH0 2 fismam osye≈10,1 ps( zHM rtpo flet ap rtiore ,)rtacrett éa remins es,dot rnc,uçeeva f c1[ =max/fmin= 1,02≈ pratiquement pas de différence relative entre les fréquences extrêmes, soit 1, elles sont donc transmises dans les mêmes conditions, permettant une bonne reconstitution du signal d’origine. Cette solution présente aussi l’avantage de permettre de multiplexer fréquentiellement les signaux à émettre, donc d’en transmettre un grand nombre en leur allouant un décalage de fréquence distinct, ainsi ils ne s’interfèrent pas.
>
! $4 +('(* # " La solution pour transporter un signal à distance consiste à transposer la fréquence du signal de départ : du typeKcos(2πF1 t), en utilisant une porteuse de fréquence F0 très élevée. Schéma de principe d’un émetteur :Antenne $ 2#%2#% ! ! # A -. Transposition de-B-.3-? Emission! A -B-.3-? fréquence(puissance) -$4 $#%# A -? Oscillateu Local F0 La fréquence de la porteuse est générée à l’aide d’un oscillateur, celui peut contenir habituellement un quartz pour définir F0 avec précision. pLoar tteraunsse,p oosnit iloan redper éfrséeqnutee npcaer fomios dcuolem lme es icgi-ncaol nàtr etr. aOnsn maepttpree llae vaecu slsai =-.> =-.3-?> cette fonction «MELANGEUR» ou «MULTIPLIEUR elle» en eff t e , revient mathématiquement à multiplier entre eux, les 2 signaux sinusoïdaux injectés sur ses 2 entrées, on utilise alors la propriété de la=-?> multiplication en trigonométrie : cosF0x cosF1= ½[cos(F0+F1) + cos (F0-F1)] On obtient en sortie du multiplieur un signal ayant 2 composantes, l’une avec la somme des fréquences et l’autre avec la différence. Pour un émetteur, on cherche à élever les fréquences, grâce à un filtre sélectif on ne gardera et transmettra que la composante contenant la fréquence désirée. Schéma de principe d’un récepteur : Antenne ntenne 2. @ %% ##2 2 ! % - ! ! A -B-.3-?Transposition de-.B-C-?Transmission fréquence -$4 $#%# A -? Oscillateu Local F0 Dans le cas du récepteur, l’accord de l’antenne est réglé sur FR= F1+F0, on récupère ensuite le signal originel (F1) en décalant le signal reçu FRde la fréquence F0 grâce au mélangeur, seule la composante contenant la fréquence F1 est conservée après le mélangeur en utilisant un filtre sélectif centré sur F1.
! + ('(6 % %:#2 "$ 4 %=@ /? @! /1 ?> Les porteuses des différents émetteurs sont décalées les unes par rapport aux autres, allouant une bande de fréquence bien définie à cha ue émetteur. Le même termecanal de transmission utilisé pour désigner à la fois le support de est transmission (câbles, ondes libres
) et une bande d e fréquence réservée à un émetteur. Dans le cas des émissions hertziennes, un « plan fréquences » est défini pour chaque bande. Ce plan détermine la fréquence centrale et la largeur des canaux utilisables. Des lois régissent l’octroi et l’utilisation de canaux (puissance émise, type de communication admissible, forme des signaux
). f0 f1 f2 fréquence anaCanal ana 1n n n+2 + Exemple de répartition de fréquences pour des Talkies-walkies courants du commerce, qui pour communiquer entre eux comportent 8 canaux, avec un espacement entre chacun de 12,5kHz : N°Canaln°01 n°02 n°03 n°04 n°05 n°06 n°07 n°08 FréMuHence 446,09375446,00625 446,01875 446,03125 446,04375 446,05625 446,06875 446,08125 z +('(7 +%# %# % ! Compte-tenu de ces contraintes, il est souvent nécessaire de : Traiter le signalinformatif primaire pour : · à la non-linéarité du canal. L’adapter · Optimiser le rapport signal/bruit. · Optimiser le débit d’informations pour les systèmes numériques. Moduler le signalinformatif secondaire (après traitement) pour : · la bande de fréquence du signal à la bande passante du canal. Adapter · l’occupation spectrale relative (spectre étroit) du signal pour minimiser les Réduire variations d’atténuation en fonction de la fréquence du canal (cela favorise aussi le multiplexage fréquentiel du signal). Multiplexer le signalà transmettre dans le temps, pour que plusieurs émetteurs puissent utiliser le même canal.
